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O primeiro relógio nuclear ultrapreciso pode estar prestes a ser lançado, superando a precisão dos relógios atômicos e permitindo novas descobertas sobre gravidade, ondas gravitacionais e matéria escura
Relógio nuclear mais próximo. A ciência e a tecnologia modernas dependem fundamentalmente da precisão dos relógios para uma ampla gama de aplicações, desde a verificação de teorias científicas fundamentais até o funcionamento de sistemas como o GPS e as telecomunicações.
Atualmente, os relógios atômicos de césio são considerados o padrão ouro em termos de precisão. Eles se baseiam nas transições de energia de elétrons no átomo de césio para manter o controle do tempo com exatidão impressionante.
No entanto, pesquisadores estão prestes a inaugurar era na cronometragem, com a chegada do primeiro protótipo de relógio nuclear, que prometem ser ainda mais precisos.
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O salto da física atômica para a física nuclear
Historicamente, a física nuclear não é usada para medições de alta precisão, principalmente por causa das limitações tecnológicas. No entanto, a pesquisa recente publicada no periódico Nature abre um novo capítulo.
O físico Jun Ye, da Universidade do Colorado Boulder, e sua equipe desenvolveram o primeiro protótipo de um relógio nuclear, utilizando especificamente o isótopo tório-229. Como explica Hannah Williams, física da Universidade de Durham, essa realização é uma conquista técnica notável.
Ela destaca que, enquanto a cronometragem atual se baseia nas transições de energia de elétrons, a equipe de Ye abriu caminho para explorar as transições energéticas do núcleo atômico, sendo muito menos suscetível às interferências ambientais, garantindo uma maior precisão.
Como funciona um relógio atômico e a evolução para o relógio nuclear
Crédito: The Ye group e Brad Baxley, JILA
Relógios atômicos atuais utilizam lasers para estimular elétrons a saltarem entre diferentes níveis de energia, o que permite uma cronometragem precisa. Porém, o núcleo atômico — uma minúscula estrutura composta por prótons e nêutrons — também possui níveis de energia que podem ser alternados, assim como os elétrons.
O núcleo é muito menor e mais denso do que o resto do átomo e, protegido pela nuvem de elétrons ao seu redor, é menos influenciado por fatores externos, o que o torna uma excelente escolha para uma cronometragem ultraprecisa.
No entanto, excitar um núcleo atômico é um desafio. A energia necessária para esse processo é significativamente maior do que a usada para excitar elétrons, geralmente na faixa dos raios gama.
Aqui entra o tório-229, o único elemento conhecido cuja transição nuclear pode ser estimulada com um feixe de luz ultravioleta, o que o torna um candidato ideal para a criação de um relógio nuclear.
Os desafios e avanços recentes
A grande dificuldade na criação de um relógio nuclear era determinar com exatidão a quantidade de energia necessária para excitar o núcleo de tório-229. Nos últimos anos, pesquisadores de todo o mundo avançaram significativamente nessa área.
Em 2023, uma equipe europeia conseguiu medir a lacuna de energia entre os dois estados nucleares do tório em 8,4 elétron-volts. Pouco depois, um grupo de cientistas na Alemanha conseguiu refinar ainda mais essa medição para 8,35574 elétron-volts.
Apesar desses progressos, a precisão ainda não era suficiente para a construção de um relógio nuclear viável. Foi então que a equipe de Jun Ye utilizou um pente de frequência, um laser especializado capaz de medir a frequência da luz com altíssima precisão.
Esse dispositivo pode gerar 100 mil frequências discretas de luz, como os finos dentes de um pente, e foi essencial para os pesquisadores identificarem com precisão a frequência necessária para excitar o núcleo de tório-229.
A noite de descoberta e a celebração da equipe
Perto da meia-noite de uma noite em maio, Chuankun Zhang, um dos estudantes de pós-graduação de Jun Ye, finalmente captou o sinal que indicava que o núcleo de tório-229 havia feito a transição entre os dois estados de energia. “Ninguém conseguiu dormir naquela noite“, contou Zhang. A equipe comemorou no laboratório e até tirou uma selfie às quatro da manhã.
Esse avanço aumentou a precisão da medição em um milhão de vezes, e, embora o protótipo de relógio nuclear ainda não seja tão preciso quanto os relógios ópticos atuais feitos de átomos de estrôncio, ele contém todos os elementos necessários para se tornar o primeiro relógio nuclear do mundo.
O futuro promissor dos relógios nucleares
Com o desenvolvimento dos relógios nucleares, a ciência poderá medir as constantes fundamentais da física com uma precisão que os relógios atômicos nunca alcançaram. Constantes como a velocidade da luz, por exemplo, são pilares da nossa compreensão do universo.
No entanto, algumas teorias sugerem que esses valores podem variar ligeiramente ao longo do tempo. Um relógio nuclear permitiria detectar essas variações, abrindo novas possibilidades para a exploração científica.
Além disso, um dispositivo de cronometragem tão preciso poderia medir as pequenas maneiras pelas quais a gravidade afeta o tempo, detectar ondas gravitacionais e até mesmo fornecer pistas sobre a matéria escura — a substância invisível que compõe cerca de 27% do universo. Isso ocorre porque a interação da matéria escura com o núcleo do tório-229 alteraria a frequência necessária para excitar o núcleo.
No entanto, para que tudo isso se torne uma realidade, ainda é necessário reduzir a incerteza nas medições do tório em pelo menos dez vezes. “O que resta a ser feito agora é o trabalho técnico de desenvolvimento“, disse Thorsten Schumm, coautor do estudo e físico do Vienna Center for Quantum Science and Technology. Ele prevê que os relógios nucleares ultrapassarão os atômicos em precisão dentro de dois a três anos.
Com poucos obstáculos tecnológicos pela frente, os pesquisadores estão confiantes de que a era dos relógios nucleares está prestes a começar. “Agora a diversão começa“, disse o físico Eric Hudson. “Podemos realmente fazer essas coisas acontecerem.“
Os relógios nucleares prometem revolucionar não apenas a maneira como medimos o tempo, mas também como compreendemos os princípios mais fundamentais do universo.
